JP2006010271A - 燃料電池自動車用の熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 フラックスの残渣を容易に取り除き、循環水へのイオン溶出を抑制して導電率の上昇を抑え得る安価な燃料電池自動車用の熱交換器を提供する。
【解決手段】 冷媒として循環水が導入されるチューブ１１と冷却フィンとを交互に積層したコア部の両端に、当該両端に応じた嵌合部１７ａが穿設された座板１７と、この座板１７に取り付けられるタンクカバーとを有するタンク部をそれぞれ設けた燃料電池自動車用の熱交換器であって、チューブ１１と嵌合部１７ａとの接合部２０にＣｓ系フラックスＦを供給し、チューブ１１と冷却フィンとの接合部にノコロックフラックスを供給して、それぞれろう付けするようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池自動車用の熱交換器に関し、より詳細には、燃料電池内を循環する循環水を冷却するための燃料電池用循環水へのイオン溶出の抑制技術に関する。

例えば、駆動源として燃料電池を搭載した燃料電池自動車であるＦＣＥＶ車（fuel cell electric vehicle）用の燃料電池として、例えば、高分子電解膜型の燃料電池システムが開発されている。このシステムは、燃料電池スタック内の水素燃料を、高分子電解膜に担持したプロトン触媒の作用でプロトン化し、高分子電解膜を隔てて存在する酸素との共働により電位発生を行うように構成されている。

このようなシステムでは、電極等の導電性部材が燃料電池スタック内に多く存在するため、感電防止の観点より冷媒の導電性を低レベルにする必要がある。このため、極めて導電性の小さい純水が循環水として使用されているとともに、反応制御の必要性から、この循環水を熱交換器により冷却することが行われている。そして、このようなシステムでは、熱交換器を循環する循環水が、プロトン触媒に直接接触するため、触媒被毒の観点から、金属等のイオンの循環水中への混入を抑制することが要望されている。

ここで、ラジエータやエバポレータ等の熱交換器のコアは、波形状に成形されたアルミニウム材からなる複数個のアウターフインと、扁平状に成形されたアルミニウム材からなる複数個のチューブとを交互に積層配列して構成されている。このような熱交換器のコアは、先ず、噴射法により濃度の低いフラックス(例えば、非腐食性のノコロックフラックス）をコア全体に付着させ、次いで、浸漬法により濃度の高いフラックス（例えば、ノコロックフラックス）を部分的に付着させる。噴射法で濃度の低いフラックスを付着させる部位は、チューブとフィン間及びチューブと座板間とし、浸漬法で濃度の高いフラックスを付着させる部位は、チューブと座板間としている（例えば、特許文献１参照）。
特公平５−７０５４２号（第２頁および第３頁、図１および図２）

ところが、フラックスは、通常、ろう付け処理後の洗浄処理時において洗い流されるが、フラックスとして前記ノコロックフラックスを使用した場合、ろう付け後に残渣が残り易く、この残渣を洗浄することが困難であった。

また、残渣は水中でイオンを生じるため、導電率の低い水溶液や純水を使用する熱交換器の製造においては、前記フラックスを十分に注意深く取り除く必要があった。さらに、この上に耐食性コーティングを施す必要もある。この場合、フラックスは、ブラシ等によって機械的に除去する手法や、レーザ光を照射して物理的に除去する手法、または特殊薬品を用いて取り除く手法等、各種の手法によって除去を容易にする方法が提案されているが、いずれも工業的に見て決定的な手法とは言い難かった。

一方、ろう付け法自体にフラックスを用いない真空ろう付け法（ＶＢ）や、洗浄自体が容易なノコロックフラックスのカリウム（Ｋ）をセシウム（Ｃｓ）に置換したＣｓ系フラックスを用いる手法も考えられるものの、真空ろう付け法はノコロックフラックスに比べて、ろう付け管理条件も厳しく生産性も低いデメリットがある。これに加えて、Ｃｓ系フラックスはセシウムを用いるため、価格が高く全面的に使用するのがはばかれていた。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、フラックスの残渣を容易に取り除き、循環水へのイオン溶出を抑制して導電率の上昇を抑え得る安価な燃料電池自動車用の熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１の発明は、冷媒として循環水が導入されるチューブと冷却フィンとを交互に積層したコア部の両端に、当該両端に応じた嵌合部が穿設された座板と、この座板に取り付けられるタンクカバーとを有するタンク部をそれぞれ設けた燃料電池自動車用の熱交換器であって、上記チューブと上記嵌合部との接合部にＣｓ系フラックスを供給し、上記チューブと冷却フィンとの接合部にノコロックフラックスを供給して、それぞれろう付けしたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、上記座板と上記タンクカバーとの接合部に、上記Ｃｓ系フラックスを供給してろう付けしたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、上記チューブと上記嵌合部との接合部における上記タンク部の内側に上記Ｃｓ系フラックスを供給し、当該接合部における上記タンク部の外側に、このフラックスの余剰分が流れ出すようにしたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、上記嵌合部が、上記チューブの挿入方向に対向する上記タンク部の外側に向けて突出形成されたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、上記嵌合部に供給される上記Ｃｓ系フラックスは、ろう材が混入されてなることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項４に記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、上記嵌合部における上記タンク部の内側にろう材をクラッドし、このろう材側に上記Ｃｓ系フラックスを供給して、上記ろう材が上記タンク部の外側に流れ出すようにしたことを特徴とする。

請求項７の発明は、少なくとも請求項１から請求項６の何れか一つに記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、前記チューブは、押し出し成形又は溶接成形によるチューブからなることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、チューブと嵌合部との接合部にはＣｓ系フラックスを供給し、その他のチューブと冷却フィンとの接合部にはノコロックフラックスを供給して、それぞれろう付けしたことにより、循環水が直接触れるチューブと嵌合部との接合部におけるフラックスの残渣を容易に除去することが可能となり、且つ、ノコロックフラックスに比較して高価なＣｓ系フラックスを局所的にのみ用いることによってコストも抑えることができる。

かくして、フラックスの残渣を容易に取り除き、循環水へのイオン溶出を抑制して導電率の上昇を抑え得る安価な燃料電池自動車用の熱交換器を実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、座板とタンクカバーとの接合部に、Ｃｓ系フラックスを供給してろう付けしたことにより、循環水が直接触れる座板とタンクカバーとの接合部におけるフラックスの残渣を容易に除去することが可能となる。しかも、ノコロックフラックスに比較して高価なＣｓ系フラックスを局所的にのみ用いることによってコストも抑えることができる。

従って、座板とタンクカバーとの接合にろう付け法を用いる場合においても、フラックスの残渣を容易に取り除き、循環水へのイオン溶出を抑制して導電率の上昇を抑えることが可能な燃料電池自動車用の熱交換器を安価に実現することができる。

請求項３に記載の発明によれば、チューブと嵌合部との接合部におけるタンク部の内側にＣｓ系フラックスを供給し、当該接合部におけるタンク部の外側に、このＣｓフラックスの余剰分が流れ出すようにしたことにより、余剰分のＣｓフラックスがタンク部内における接合部に残留し難くなる分、フラックスの残渣除去を一段と容易にすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、嵌合部が、チューブの挿入方向に対向するタンク部の外側に向けて突出形成されたことにより、チューブと嵌合部との接合部におけるタンク部の内側にＣｓフラックスを残留させ難くすることができる。従って、フラックスの残渣除去を格段と容易にすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、嵌合部に供給されるＣｓ系フラックスは、ろう材が混入されてなることにより、ろう材をクラッドしておく手間を省くことができるとともに、ろう材をクラッドしておく場合に比較してろう材の使用料を減らすことができる分、フラックスの残渣を低減させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、嵌合部におけるタンク部の内側にろう材をクラッドし、このろう材側にＣｓ系フラックスを供給して、ろう材がタンク部の外側に流れ出すようにしたことにより、余剰分のＣｓフラックスがタンク部内における嵌合部に残留し難くなる分、フラックスの残渣除去をより一層容易にすることができる。

請求項７に記載の発明によれば、押し出し成形又は溶接形成によるチューブを使用しているので、機械的強度に優れる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本実施の形態の燃料電池自動車用の熱交換器について説明する前に、本発明の熱交換器が使用されるＦＣＥＶ冷却系システムについて簡単に説明する。

「ＦＣＥＶ冷却システムの概略構成」
図１は、燃料電池を搭載した電気自動車の冷却系システム図である。燃料電池を駆動源とするいわゆる燃料電池自動車は、当該燃料電池を約８０〔℃〕に加温保持することで水素と酸素による反応が行われて電気を最も効率よく生成するため、加温し過ぎないように冷媒を循環させて燃料電池を冷却している。

この冷却系システム１では、加温された燃料電池を冷却する冷媒は、燃料電池本体２に形成された流路を流れると、ポンプ３によって熱交換器４へ送られ、熱交換器４で暖められた冷媒が熱交換器４によって冷却される。そして、冷却された冷媒は、再び燃料電池本体２へと送られ、加温された燃料電池を所定温度に保つように冷却する。このような経路を循環する冷媒には、例えば導電性の低い純水または純水に凍結防止剤であるエチレングリコールを混合したものが使用される。これは、燃料電池本体２の内部には導電性材料からなる電極などが設けられているため、その内部を循環する冷媒が導電性を持っていると、水素と酸素の反応に悪影響を与えるためである。

「熱交換器の概略構成」
図２〜図６は本発明の一実施の形態を示し、図２は本発明に係る燃料電池自動車用の熱交換器の正面図、図３は図２の熱交換器における座板とチューブとの組み付け箇所を拡大して示す断面図、図４はろう付けしたコア部の洗浄の様子を示す概略図、図５はコア部とタンクカバーとの取り付けの説明に供する斜視図、図６は図２の熱交換器における座板とタンクカバーとの組み付け箇所を拡大して示す断面図である。

図２に示すように、燃料電池自動車に用いられる熱交換器４は、チューブ１１
と冷却フィン１２とが交互に積層され、これら積層体、すなわちコア部１９の両端に一対のヘッダタンク部（タンク部）１３、１４が配置されるとともに、これらヘッダタンク部１３、１４に入口パイプ１５、出口パイプ１６が連通して設けられている。

このヘッダタンク部１３、１４は、それぞれ座板１７と、この座板１７に取り付けられるタンクカバー１８とから構成され、内部にタンク室（図示省略する）が形成されている。また、座板１７には、各チューブ１１の端部に応じた嵌合部１７ａが穿設されており、各チューブ１１の端部が嵌合部１７ａに挿入され、前記タンク室内に突出した状態で結合されている（図５参照）。

そして、入口パイプ１５から流入する循環水（この場合、純水）を入口側のヘッダタンク部１３において各チューブ１１へと分配配給し、下方に位置する出口側のヘッダタンク１４へと流通させる。純水は、このチューブ１１を流通する過程において、冷却フィン１２によって冷やされたチューブ１１を介して冷却されるようになっている。

本実施の形態の場合、座板１７における嵌合部１７ａは、図３に示すように
、チューブ１１の挿入方向に対向してヘッダタンク部１３、１４（図２参照）の外側に向けて突出形成されている。そして、チューブ１１と座板１７の嵌合部１７ａとの接合部２０には残渣の除去が容易なＣｓ系フラックスＦを供給し、チューブ１１と冷却フィン１２との接合部には、ノコロックフラックスを供給して、それぞれろう付け法によってろう付け処理を施す。

これにより、循環水が直接触れるチューブ１１と嵌合部１７ａとの接合部２０におけるフラックスＦの残渣を容易に除去することが可能となり、且つ、ノコロックフラックスに比較して高価なＣｓ系フラックスＦを局所的にのみ用いることによってコストも抑えることができる。

しかも、嵌合部１７ａをヘッダタンク部１３（他方のヘッダタンク部１４においても同様）の外側に向けて突出形成されるとともに、チューブ１１と座板１７の嵌合部１７ａとの接合部２０におけるタンク部１３（１４）の内側に残渣の除去が容易なＣｓ系フラックスＦを供給してろう付けするようにした。

これにより、接合部２０におけるタンク部１３の外側に、Ｃｓ系フラックスＦの余剰分が流れ出すようになされているため、この接合部２０におけるＣｓフラックスＦの残渣を一段と減らすことが可能となる。

従って、ろう付け処置後の洗浄処理時に、例えば図４に示すような洗浄装置２１によって洗浄する際、超音波発生器２２による超音波でＣｓフラックスＦの残渣を容易、且つ、十分に除去することが可能となる。

また、熱交換器４において、座板１７とタンクカバー１８とをろう付け法を用いて接合する場合、図５に示すように、タンクカバー１８と座板１７とを位置合わせして仮組みした後、図６に示すように、座板１７の端部をタンクカバー１８の端部に沿って折り曲げる。このとき、この折り曲げた座板１７とタンクカバー１８との接合部１７ｂには、残渣の除去が容易なＣｓ系フラックスを供給するようにする。

これにより、循環水が直接触れる座板１７とタンクカバー１８との接合部１７ｂにおけるＣｓフラックスＦの残渣を容易に除去することが可能となる。しかも、このように、ノコロックフラックスに比較して高価なＣｓ系フラックスＦを局所的（チューブ１１と嵌合部１７ａとの接合部２０や、座板１７とタンクカバー１８との接合部１７ｂ）にのみ用いることによってコストも抑えることができる。

これに加えて、嵌合部１７ａに供給されるＣｓ系フラックスＦに、ろう材を混入したものを用いることにより、ろう材をクラッドしておく手間を省くことができるとともに、ろう材をクラッドしておく場合に比較してろう材の使用料を減らすことができる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、チューブ１１と嵌合部１７ａとの接合部２０には、残渣の除去が容易なＣｓ系フラックスＦを供給し、その他のチューブ１１と冷却フィン１２との接合部にはノコロックフラックスを供給して、それぞれろう付けしたことにより、循環水が直接触れるチューブ１１と嵌合部１７ａとの接合部２０におけるフラックスＦの残渣を容易に除去することが可能となり、且つ、ノコロックフラックスに比較して高価なＣｓ系フラックスＦをチューブ１１と嵌合部１７ａとの接合部２０にのみ用いることによってコストも抑えることができる。

かくして、フラックスＦの残渣を容易に取り除き、循環水へのイオン溶出を抑制して導電率の上昇を抑え得る安価な燃料電池自動車用の熱交換器４を実現することができる。

また、座板１７とタンクカバー１８とを、ろう付け法によって接合する場合、これら座板１７とタンクカバー１８との接合部１７ｂに、Ｃｓ系フラックスＦを供給してろう付けしたことにより、循環水が直接触れる座板１７とタンクカバー１８との接合部２０におけるフラックスＦの残渣を容易に除去することが可能となる。しかも、ノコロックフラックスに比較して高価なＣｓ系フラックスＦを前記接合部２０に加えて、座板１７とタンクカバー１８との接合部１７ｂにのみ用いることによってコストも抑えることができる。

従って、座板１７とタンクカバー１８との接合にろう付け法を用いる場合においても、フラックスＦの残渣を容易に取り除き、循環水へのイオン溶出を抑制して導電率の上昇を抑えることが可能な燃料電池自動車用の熱交換器４を安価に実現することができる。

これに加えて、チューブ１１と嵌合部１７ａとの接合部２０におけるタンク部１３（１４）の内側にＣｓ系フラックスＦを供給し、当該接合部２０におけるタンク部１３（１４）の外側に、このＣｓフラックスＦの余剰分が流れ出すようにしたことにより、余剰分のＣｓフラックスＦがタンク部１３（１４）内における接合部２０に残留し難くなる分、フラックスＦの残渣除去を一段と容易にすることができる。

さらに、嵌合部１７ａが、チューブ１１の挿入方向に対向するタンク部１３（１４）の外側に向けて突出形成されたことにより、チューブ１１と嵌合部１７ａとの接合部２０におけるタンク部１３（１４）の内側にＣｓフラックスＦを残留させ難くすることができる。従って、フラックスＦの残渣除去を格段と容易にすることができる。

さらに、嵌合部１７ａに供給されるＣｓ系フラックスＦは、ろう材が混入されてなることにより、ろう材をクラッドしておく手間を省くことができるとともに、ろう材をクラッドしておく場合に比較してろう材の使用料を減らすことができる。

また、チューブ１１は、押し出し成形や溶接成形によるチューブが望ましい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上述した実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替の実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

例えば、上述した実施の形態においては、嵌合部１７ａに供給されるＣｓ系フラックスＦに、ろう材を混入したものを用いる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、嵌合部１７ａにおけるタンク部１３（１４）の内側にろう材をクラッドし、このろう材側にＣｓ系フラックスＦを供給して、ろう材がタンク部１３（１４）の外側に流れ出すようにしてもよい。この場合、余剰分のフラックスＦがタンク部１３（１４）内における嵌合部１７ａに残留し難くなる分、フラックスＦの残渣除去をより一層容易にすることができる利点を得る。

燃料電池自動車における冷却系システムの概略構成図である。 本発明の一実施の形態を示し、燃料電池自動車用の熱交換器の正面図である。 図２の熱交換器における座板とチューブとの組み付け箇所を拡大して示す断面図である。 ろう付けしたコア部の洗浄の様子を示す概略図である。 コア部とタンクカバーとの取り付けの説明に供する斜視図である。 図２の熱交換器における座板とタンクカバーとの組み付け箇所を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１…冷却系システム
２…燃料電池本体
３…ポンプ
４…熱交換器
１１…チューブ
１２…冷却フィン
１３、１４…タンク部
１７…座板
１７ａ…嵌合部
１８…タンクカバー
１９…コア部
２０…接合部

Claims (7)

1. 冷媒として循環水が導入されるチューブ（１１）と冷却フィン（１２）とを交互に積層したコア部（１９）の両端に、当該両端に応じた嵌合部（１７ａ）が穿設された座板（１７）と、この座板（１７）に取り付けられるタンクカバー（１８）とを有するタンク部（１３）、（１４）をそれぞれ設けた燃料電池自動車用の熱交換器（４）であって、
   上記チューブ（１１）と上記嵌合部（１７ａ）との接合部（２０）にＣｓ系フラックス（Ｆ）を供給し、
   上記チューブ（１１）と冷却フィン（１２）との接合部にノコロックフラックスを供給して、それぞれろう付けした
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器（４）。
2. 請求項１に記載の燃料電池自動車用の熱交換器（４）であって、
   上記座板（１７）と上記タンクカバー（１８）との接合部（１７ｂ）に、上記Ｃｓ系フラックス（Ｆ）を供給してろう付けした
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器（４）。
3. 請求項１に記載の燃料電池自動車用の熱交換器（４）であって、
   上記チューブ（１１）と上記嵌合部（１７ａ）との接合部（２０）における上記タンク部（１３）、（１４）の内側に上記Ｃｓ系フラックス（Ｆ）を供給し、当該接合部（２０）における上記タンク部（１３）、（１４）の外側に、このフラックス（Ｆ）の余剰分が流れ出すようにした
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器（４）。
4. 請求項３に記載の燃料電池自動車用の熱交換器（４）であって、
   上記嵌合部（１７ａ）が、上記チューブ（１１）の挿入方向に対向する上記タンク部（１３）、（１４）の外側に向けて突出形成された
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器（４）。
5. 請求項４に記載の燃料電池自動車用の熱交換器（４）であって、
   上記嵌合部（１７ａ）に供給される上記Ｃｓ系フラックス（Ｆ）は、ろう材が混入されてなる
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器（４）。
6. 請求項４に記載の燃料電池自動車用の熱交換器（４）であって、
   上記嵌合部（１７ａ）における上記タンク部（１３）、（１４）の内側にろう材をクラッドし、このろう材側に上記Ｃｓ系フラックス（Ｆ）を供給して、上記ろう材が上記タンク部（１３）、（１４）の外側に流れ出すようにした
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器（４）。
7. 少なくとも請求項１から請求項６の何れか一つに記載の燃料電池自動車用の熱交換器（４）であって、
   前記チューブ（１１）は、押し出し成形又は溶接成形によるチューブ（１１）からなる
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器（４）。

Images